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元素的起源

物質的變化自古以來便吸引著人們，在元素概念尚未啟蒙的年代，人們看到物質型態的改變獲得啟發，並嘗試將常見的物質轉變成貴金屬或丹藥等，是為煉金術（alchemy）。後續原子說與元素週期表等概念被提出後，化學（chemistry）漸漸自煉金術中獨立出來;而不同元素間的轉變則要至20世紀，人們開始有能力執行核反應後才化為可能。核反應分成核融合（nuclear fusion）與核分裂（nuclear fssion），儘管兩者人類都已經做得到， 但目前只有核分裂能穩定地使用在核電廠、核子動力潛艇的電力∕動力設備及醫療用途等。
 

起點:大霹靂

把目光轉向宇宙，星體間進行核融合的歷史已超過100億年，幾乎等於宇宙歷史，而這一切都得從宇宙的起源 ──大霹靂（Big Bang）說起。在大爆炸發生的瞬間，極高的能量密度讓宇宙迅速膨脹，過程中產生物質及反物質，不過，此時元素的基本單位──原子尚未誕生。經過幾分鐘，基本粒子（夸克、膠子等）生成後才有質子（電離的氫原子）和中子，然後是約占 25% 的氦及一點點氘，外加很微量的鋰（lithium, Li）。
 

最初也最熱門的反應:質子-質子鏈

漫長的等待中，雖然物質組成單調，但它們並沒有閒著。瀰漫於虛空中的部份氫和氦元素受重力吸引逐漸聚集成雲團，並收縮成星體。在收縮的過程中，重力位能一部分以輻射形式散失掉，另一部份轉為熱能讓星體的溫度大幅上升。最先被點燃的是氫，此時氫在先前的升溫中已游離成質子，接著經過一系列核融合反應形成氘、氦- 3 與氦-4。爾後，在反應溫度夠高的狀況下，氦-3和氦-4進一步透過反應形成少量的鋰-7及非穩定態的鈹-7（beryllium-7, Be）、鈹-8 和硼-8（boron-8, B），最後裂解為氦-4，絕大部分穩定的鋰、鈹和硼元素，最主要是碳-12 被帶有高能質子的宇宙射線撞擊生成。這一系列反應由於最早由質子啟動，稱為「質子-質子鏈（Proton-proton chain reaction，圖一）」。由於氦的每個核子平均結合能（Binding energy per nucleon）為 7.07 百萬電子伏特（MeV），所以質子-質子鏈透過將氫融合成氦- 4 的淨反應會產生大量的能量;除了能啟動更多核融合反應，也是讓大部分恆星持續發光的主因。
 

圖一:質子 - 質子鏈反應。首先由 2 個氫原子核融合為氘，1 個質 子釋放出 1 個正電子和一個微中子成為中子，氘再和另一個氫原子 合成氦同位素氦 - 3，最後再與另一氦 - 3 形成氦同位素氦 - 4。

核融合形成更重的元素

除了上述的質子-質子鏈，宇宙中大部份的恆星因為內部含有先代恆星所產生的其他較重元素，例如碳、氧和 氮等，可以透過多個複雜的質子捕捉過程，最後吐出一 個氦-4 變回原狀，而放出能量。由於反應中，碳、氧和氮就如同催化劑重複參與反應，稱為碳氧氮循環（CNOcycle），當中除了將氫變成氦的淨反應可以產生大量的 能量，也會產生如氟等其他少量元素。

在氦元素形成後，因為氫燃料的耗盡，恆星經過一段收 縮及升溫過程而啟動氦融合反應，儘管2個氦-4融合 成不穩定的鈹-8，但仍有一定的機率在鈹-8 裂解之前多捕捉幾個氦-4形成碳-12，並進一步形成氧-16 甚至氖 - 20（Neon-20, Ne），即氦融合（helium fusion）反應。......【更多內容請閱讀科學月刊第594期】